К августу 1942 года подполковник Полбин совершил 107 боевых вылетов.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 23 ноября 1942 года И. С. Полбину было присвоено звание Героя Советского Союза.
С конца 1942 года Иван Семенович командовал 301‑й бомбардировочной авиационной дивизией.
Он был добрым и заботливым командиром, но промахов, и, особенно, очковтирательства никому не прощал. Там, где речь шла о боевой деятельности, он был предельно требователен. Крепкий, широкоплечий, смотрел на собеседника ясными, проницательными глазами, в которых нельзя было не заметить огромную волю. Иван Семенович никогда не суетился, в любой обстановке сохранял присутствие духа, и эта черта командира, пожалуй, больше всего импонировала людям, встречавшимся каждый день с опасностью. Подчиненные любили его, видели в нем пример для подражания, и каждый его приказ принимался беспрекословно.
Но самое примечательное в характере Полбина было то, что он проявлял какую-то неиссякаемую жажду ко всему новому в боевом использовании техники. Он учил экипажи не только хорошо летать, метко бомбить, но воспитывал в них творческое отношение к авиационному делу, развивал дух новаторства, горячо поддерживал разумную инициативу. В самолете он видел не просто машину, наделенную конструктором какими-то определенными тактико-техническими данными, он стремился выявить в ней и скрытые возможности, о которых сам ее создатель и не подозревал.
Полбин был человек редкого военного дарования, исключительной смелости. Спокойный, уравновешенный, с хитринкой в умных голубых глазах, он никогда не бравировал своей храбростью, вел себя в бою так, будто ходил на полигон бомбить учебные цели. На все ответственные задания он лично водил группы самолетов и непременно собственным глазом изучал район предстоящих боевых действий, чтобы определить наиболее характерные ориентиры, пути подхода к цели, убедиться, как защищен объект огневыми средствами противовоздушной обороны.
В марте 1943 года Иван Семенович принял командование 1‑м бомбардировочным авиационным корпусом, позднее – 6‑м гвардейским бомбардировочным авиакорпусом.
В октябре 1943 года Полбин продемонстрировал умение вести наступательный воздушный бой с бомбардировщиками противника. Он писал об этом в статье «Комбинированный бой Пе‑2»: «Группа из 17 самолетов получила задачу бомбардировать железнодорожные эшелоны противника. На обратном пути на одной с нами высоте были обнаружены 8 пикировщиков Ju‑87, идущие в кильватерной колонне. Внизу, с вражеского аэродрома, подруливала к старту еще одна группа „Юнкерсов“. По команде: „Внимание, в атаку, за мной!“ – резким поворотом в сторону группы противника, наращивая скорость, пошел на сближение. Расстояние между группами Пе‑2 и Ju‑87 молниеносно сокращается. Заметив нас, противник, теряя боевой порядок, попытался мелкими группами уйти с разворотом, но было поздно. Я дал первую очередь с дистанции 100 метров. „Юнкерс“ вспыхнул и камнем пошел вниз. В то же время часть экипажей группы занялась штурмовкой аэродрома и подожгла 2 немецких самолета на земле. Почти одновременно удачными атаками сбили по одному Ju‑87 гвардии лейтенант Плотников и стрелок-радист Серебрянский. Группа Ju‑87, находившаяся в воздухе, под воздействием наших атак потеряла управление и в панике стала сбрасывать бомбы в районе своего аэродрома. Самолеты противника, продолжающие взлетать, атаковывались нашими самолетами и, бросая бомбы, метались в поисках спасения».
В результате воздушного боя группа пикировщиков Полбина уничтожила шесть самолетов Ju‑87 и сорвала задуманный немцами налет на бомбометание по нашим войскам. Одновременно истребитель прикрытия сбил три Ju‑87, три Ме‑109 и один FW‑189. В итоге, немцы потеряли тринадцать машин, две из которых пришлось на долю Ивана Сергеевича.
В середине июля 1944 года, когда началась Львовско-Сандомирская операция, командующий фронтом приказал летчикам подавить артиллерию противника. Одна за другой в небо поднялись группы пикировщиков. Первую вел Полбин. Над целью самолеты образовали несколько кругов: один выходил из пикирования, другой вел огонь, третий пикировал, четвертый находился на боевом курсе. Врагу не давали и секунды передышки.